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低壓脈沖反射法工作原理

    1. 應(yīng)用范圍

    低壓脈沖反射法(以下簡稱脈沖法)用于測量電纜的低阻、短路與斷路故障,。據(jù)統(tǒng)計這類故障約占電纜故障的10%左右,。低壓脈沖法還可用于測量電纜的長度、電磁波在電纜中的傳播速度,，還可用于區(qū)分電纜的中間頭,、T型接頭與終端頭等,。

   2. 工作原理

   測試時，向電纜輸入一低壓脈沖,，該脈沖沿電纜傳播到阻抗不匹配點,，如短路點、故障點,、中間接頭等,，脈沖產(chǎn)生反射，回送到測量點被儀器記錄下來,，如圖1所示：

 
圖1   低壓脈沖反射原理圖

   圖1中,，波形上發(fā)射脈沖與反射脈沖的時間差△t，對應(yīng)脈沖在測量點與阻抗不匹配點往返一次的時間,，已知脈沖在電纜中的波速度V,，則阻抗不匹配點距離，可由下式計算,。

                     L=V·△t/2 

   通過識別反射脈沖的極性,，可以判定故障的性質(zhì),。斷路故障反射脈沖與發(fā)射脈沖極性相同，而短路故障的反射脈沖與發(fā)射脈沖極性相反,。

   由計算公式我們知道,，脈沖在電纜中的波速度對于準確地計算出故障距離很關(guān)鍵。在不清楚電纜的波速度值的情況下,，可用如下方法測量,。如已知被測電纜的長度，根據(jù)發(fā)送脈沖與電纜終端反射脈沖之間的時間△t,，可推算出

電纜中的波速度：

                    V=2·L/△t 

   3. 發(fā)射脈沖的選擇

  （1) 脈沖的形狀

  電纜故障測量儀器使用的電壓脈沖一般有矩形,、指數(shù)、鐘形（又叫升余弦）等,。由于矩形脈沖形成比較容易,，故應(yīng)用的比較多。

  （2) 脈沖的寬度

  脈沖總有一定的時間寬度,，假定為τ,，則在τ時刻以內(nèi)到來的反射脈沖與發(fā)射脈沖相重迭，無法區(qū)分出來,，因此就不能測出故障點距離,，出現(xiàn)了測試盲區(qū)。假設(shè)脈沖發(fā)射寬度是0.2 μs,，電纜波速度是160m / μs,，其測量盲區(qū)就是16米，儀器發(fā)送脈沖愈寬,，測量盲區(qū)愈大,。從減小盲區(qū)的角度看，發(fā)送脈沖寬度窄一些好,，但脈沖愈窄,，它所包含的高頻成分愈豐富，而線路高頻損耗大,，使反射脈沖幅值過小,，畸變嚴重，影響遠距離故障的測量效果,。為解決這一問題,，脈沖反射儀器（也叫閃測儀）把脈沖寬度分成幾個范圍，根據(jù)測量距離的遠近來選擇脈沖寬度,，測量距離愈遠,，脈沖愈寬。
    目前市場上技術(shù)zui為成熟的單片機型電纜故障測試儀,，采用的低壓脈沖寬度為0.2μs/2 μs兩檔,，分別用于測量短電纜以及長電纜,。

   二,、脈沖反射波形的分析理解

   1. 脈沖反射波形反映電纜故障相知與電纜結(jié)構(gòu)特點

   觀察電纜的低壓脈沖反射波形除,，可以找出故障點的位置以及判別故障性質(zhì)，還有利于了解復(fù)雜電纜的結(jié)構(gòu)特點,，這一優(yōu)點是電橋法*的,。而實際的測量波形往往變化較多，需要操作人員具有起碼的測試訓(xùn)練和一定的測量經(jīng)驗和技巧,，能否正確地理解反射波形是準確地測出故障距離及了解電纜結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵,。

   圖 2.a 給出了一個有低阻故障的電纜，中間有接頭J,，圖2.b給出了向電纜注入一低壓脈沖測得的脈沖反射波形,。類似于用的X光片，被測電纜結(jié)構(gòu)（狀態(tài)）以波形的形式直觀地呈現(xiàn)在儀器的屏幕上,。

                圖2   中間有接頭的電纜脈沖反射波形

   把波形上任一點的時間坐標乘以二分之一的波速度,，換算成距離，則電纜上所有的阻抗不匹配點,，如中間接頭J,、故障點F、電纜的開路終端B,，均按實

際的距離以脈沖的形式出現(xiàn)在波形上,。根據(jù)脈沖的極性與大小可判別阻抗不匹配的性質(zhì)（例如低阻還是開路）與嚴重程度。一般來說,，開路與短路故障反射比較強,，而中間接頭反射較弱。低阻故障電阻值愈小,，反射愈強烈,。
   需要說明的是，中間接頭的反射,，不一定一定是正反射,，有可能是負反射，或者沒有反射,，這個*與接頭處特性阻抗有關(guān),，與絕緣電阻無關(guān)。接頭點反射大小,，不一定代表該接頭有故障,，要綜合分析判斷。
    圖3是同一多芯低壓控制電纜的兩種低壓脈沖法實測波形（祥見培訓(xùn)教程－波形分析實例7）：

 
 
 圖3    低壓脈沖法測試波形

    下面介紹幾種典型故障的脈沖反射波形,。

    (1) 斷路故障

    脈沖在斷路點產(chǎn)生全反射,，反射脈沖與發(fā)送脈沖同極性,。

                  圖4   斷路故障脈沖反射波形

   圖4給出了斷路故障脈沖反射波形。波形上*個故障點反射脈沖之后,，還有若干個相距仍然是故障距離的反射脈沖,，這是由于脈沖在測量端與故障點之間多次來回反射的結(jié)果。由于脈沖在電纜中傳輸存在損耗,，脈沖幅值逐漸減小,，并且波頭上升變得愈來愈緩慢。

   實際上有用的是*個反射脈沖,，注意不要把后續(xù)反射脈沖誤認為是其它故障點的反射脈沖,。

   (2) 短路故障

   脈沖在短路點產(chǎn)生全反射，反射脈沖與發(fā)送脈沖極性相反,。圖5給出了電纜短路故障脈沖反射波形,。波形上一個故障點反射脈沖之后的脈沖極性出現(xiàn)一正一負的交替變化，這是由于脈沖在故障點反射系數(shù)為-1,，而在測

量端反射為正的緣故,。

                   圖5      短路故障脈沖反射波形

   (3) 低阻故障脈沖反射波形

   電纜中出現(xiàn)低電阻故障時，故障點電壓反射系數(shù)與透射系數(shù)由式ρu=-1/(1+2K)與γ=2K/(1+2K)給出,，其中K=Rf/Z0是故障電阻與電纜波阻抗的比,。圖6給出了電壓反射系數(shù)與透射系數(shù)隨K值的變化關(guān)系，可見K>10,，即故障電阻大于波阻抗值的10倍時,，脈沖反射系數(shù)幅值小于5%，故障點反射脈沖較難以識別,，故低壓脈沖法不適用測量這類故障的距離,。

       圖6   低電阻故障點電壓反射系數(shù)與透射系數(shù)變化規(guī)律

    圖7.c給出了故障點在電纜中點之前的低阻故障脈沖反射波形。由脈沖傳播網(wǎng)格圖（圖7.b）看出,，注入的脈沖在故障點產(chǎn)生反射脈沖,，t1時刻回到測量端，該脈沖從測量端返回,，在故障點又被再次反射,，t2時刻又一次回到測量端。第二個故障點反射脈沖在波形上與*個故障點反射脈沖之間的距離為故障距離,，在實際應(yīng)用中,，應(yīng)注意不要把它誤以為新的故障點或接頭反射。穿過故障點脈沖在電纜的端點被反射,，t3時刻回到測量端,。
 電纜中點之后低阻故障的脈沖反射波形如圖8所示，這里不再詳述,。

             圖7 電纜中點之前的低阻故障脈沖反射波形

             圖8 電纜中點之后的低阻故障脈沖反射波形

   2. 怎樣確定反射脈沖的起始點

   一般的低壓脈沖反射儀器依靠操作人員移動標尺或電子光標,，來測量故障距離。實際測試時,，人們往往沒有把握應(yīng)該把光標定在何處來標定反射脈沖的起始點,。

    根據(jù)脈沖反射原理，故障點愈遠,，反射脈沖上升愈圓滑,，標定愈困難。

    在實際測試時,，應(yīng)選波形上反射脈沖造成的拐點作為反射脈沖的起始點，如圖9a虛線所標定處,，亦可從反射脈沖前沿作一切線,，與波形水平線相交點，可作為反射脈沖起始點,，如圖 9b所示,。

                  圖9    反射脈沖起始點的標定

   圖10是現(xiàn)場測試的低壓脈沖法測試波形，以及光標起點,、終點確定的位置分析圖,。

 
 圖10   低壓脈沖法測試高阻故障測試波形